Rendement dieselmotor naar 60%

Het rendement van dieselmotoren kan de komende decennia stijgen tot 60% door een betere vermenging in de verbrandingskamer van brandstof met de lucht en een koelere gecontroleerde verbranding. De Groep Verbrandingstechnologie op de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) ontwikkelt, onder leiding van hoogleraar verbrandingstechnologie Philip De Goey, een nieuw verbrandingsconcept.

Links een traditionele dieselverbranding in een testcilinder, met een explosief vlamfront, rechts ‘het nieuwe verbranden' waarbij diesel zo goed mengt met de lucht dat een gelijkmatig over de hele verbrandingskamer verspreide verbranding plaatsheeft waardoor de hele ruimte opgloeit. (Illustratie TUe)

1/2

Gerelateerd nieuws

45.000 euro boete voor Russische rederij

Wärtsilä levert dual-fuelmotoren voor ECO2 Inland Vessel-project

Top 5 Meest gelezen op Schuttevaer.nl

Schuttevaer Motoren: Op de drempel van een revolutie

Meer over

Techniek

Door Hans Heynen
De Goey ontving er 7 oktober, op het STW-jaarcongres, de Simon Stevin Meesterprijs 2010 voor, waaraan een vrij besteedbaar onderzoeksbedrag is verbonden van 500.000 euro. ‘We willen het thermisch rendement van verbrandingsmotoren van de huidige 35 tot 45% verhogen naar 60%', vertelde De Goey eind oktober op het door de Vereniging Importeurs Verbrandingsmotoren (VIV) georganiseerde symposium ‘Brandstof tot nadenken'.

• Universiteit Eindhoven werkt aan nieuwe inspuittechniek

• Experimenten met ‘dieseline' in Verenigde Staten en China 

Hogere compressie, betere regeltechniek en lagere frictieverliezen spelen allemaal een rol bij verhoging van het rendement, maar gecontroleerdere verbranding door betere verstuiving lijkt het belangrijkste. Weekblad Schuttevaer stelde hem deze week aanvullende vragen om meer inzicht te krijgen in de manier waarop de rendementsverhoging wordt bereikt.

Vlammenwerper
Idee is de huidige verstuiver, met 4 tot 10 verstuivergaten met diameters van 200 μm, te vervangen door de in Eindhoven ontwikkelde poreuze PFAMEN-verstuiver (Porous Fuel Air Mixing Enhancing Nozzle), waarvan de nozzle of verstuivertip meer dan 1000 minuscule gaatjes bevat, met diameters van 1 tot 50 μm. De ruim 1000 gaatjes zijn zo gepositioneerd dat de brandstof in alle richtingen, (nagenoeg 180 gaden) wordt verstoven, zodat een homogeen lucht/brandstofmengsel ontstaat in de verbrandingskamer. De verstoven deeltjes zijn bovendien zo klein dat vrijwel alle brandstofmoleculen direct met zuurstof in aanraking komen.

‘Conventionele injectie is een soort vlammenwerper, met steekvlammen uit vier tot acht verstuivergaten. De verbranding is explosief. De grotere brandstofdruppeltjes verbranden in de kern onvolledig, wat zorgt voor de vorming van fijnstof.'

De steekvlammen veroorzaken lokaal hoge piektemperaturen (hot spots) waar zich NOx vormt. De PFAMEN-verstuiver geeft een ander verbrandingspatroon. Er ontstaat een soort vlamwolk in de hele verbrandingskamer, waarin de zeer fijn vernevelde brandstof verbrandt als een opgloeiende mist, zonder explosief vlamfront. ‘Dat levert een complete ultraschone verbranding op, zodat minder brandstof nodig is. De zuurstof wordt beter gebruikt. Het rendement is hoger. Door het ontbreken van hot spots vormt zich minder NOx en vloeit minder energie af in de vorm van warmte via koelsysteem en uitlaat.'

Lagere druk
Het lijkt lastig om de poreuze verstuivertips voldoende robuust te krijgen. ‘Dat is een van de dingen waar we nog aan werken', zegt De Goey. ‘Nu zijn een miljoen injecties mogelijk, maar we moeten nog verder komen.'
Verrassend is dat de PFAMEN-verstuiver met een vrij lage inspuitdruk toe kan. Om de verbranding schoner te krijgen kozen fabrikanten van common rail-systemen de afgelopen jaren immers juist voor steeds hogere inspuitdrukken. ‘De inspuitdruk is lager', zegt De Goey. ‘We werken nu met een inspuitdruk van 500 bar, tegen inspuitdrukken van 2000 tot 3000 bar voor systemen met common rail.'

De groep verbrandingstechnologie van de TU/e en Progression Industry beschikt in Eindhoven over een soort testcilinder waarin het verbrandingsproces op alle mogelijke manieren kan worden gevolgd en getest. Met speciale technieken kan men de effecten die dat op de verbranding heeft zeer nauwkeurig volgen.

VS en China
Een andere optie om tot een efficiëntere verbranding te komen is, paradoxaal genoeg, de diesel te mengen met een slecht zelfontbrandende brandstof, zoals benzine. De University of Michigan in de Verenigde Staten en de Shanghai Jiao Tong University in China doen onderzoek in deze richting. Zij spreken van ‘dieseline', een blend van 80% diesel en 20% benzine. De benzine vertraagt de ontbranding. De dieseline krijgt daardoor meer tijd om goed te mengen met de lucht in de verbrandingsruimte. Net als bij de PFAMEN-injectie ontstaat zo een gelijkmatiger en koelere verbranding (Low Temperature Combustion of LTC) waarbij minder NOx en roet wordt gevormd. Omdat benzine de verbranding vertraagt, moet dieseline vroeger worden ingespoten. De TU/e kent dit procedé. ‘Wij denken bij gebruik van deze brandstof, in combinatie met normale verstuivers, aan vervroeging van de inspuiting met 30 krukgraden', zegt De Goey.

De in Eindhoven ontwikkelde poreuze verstuiver wordt voorlopig niet met dit alternatieve brandstofmengsel getest. ‘We willen onze injector eerst en vooral met conventionele diesel testen', aldus de Goey.

Euro 6
Het ‘nieuwe verbranden' maakt dieselmotoren zuiniger en schoner. Of NOx- en fijnstof-emissies er zo laag door worden dat deze motoren Euro 6 zonder roetfilter of SCR katalysator halen, kan De Goey nog niet zeggen. ‘De NOx wordt minder, maar of we zonder katalysator kunnen is niet zeker. Maar hij wordt zeker kleiner.'

Mogelijk hebben de nieuwe motoren genoeg aan EGR, het systeem waarbij een deel van het uitlaatgas wordt teruggevoerd naar de cilinders om het zuurstofgehalte van de inlaatlucht te verlagen en daarmee de NOx-vorming. ‘Een hoog EGR zal toegepast blijven', zegt De Goey.
‘De uitstoot van koolwaterstof (HC) en koolmonoxide (CO) kan daardoor toenemen, maar de NOx- en roetuitstoot worden daarmee zeer klein. Aan de vermindering van de CO- en HC-emissie wordt gewerkt. We denken dat de verstuiving daarvoor nog beter moet worden en de cilinderwanden niet mag raken.'